30 m简支箱梁静、动力荷载试验模型分析

（中交二公局第六工程有限公司，陕西西安 710000）

1 本设计的研究内容

30 m简支箱梁是公路及城市桥梁广泛采用的结构形式，桥梁承载力评定重要依据是桥梁荷载试验。

（1）查找相关文献资料，熟悉桥梁设计资料；（2）根据设计图纸，对箱梁的结构进行分析；（3）根据桥梁结构的有限元分析方法，设计制定箱梁的静、动力荷载试验方案；（4）计算试验荷载作用下控制测点的应力、挠度值；（5）合理选择试验设备，确定控制测点的应力、挠度的测试方法；（6）对桥梁结构进行固有频率分析，制定桥梁的动力试验方案；（7）通过荷载试验方案的设计了解试验应力分析在工程实际中的应用，掌握桥梁结构的有限元分析方法，了解桥梁荷载试验的全过程。

2 简支箱梁的结构特点与其应用

预应力混凝土简支箱梁是因内部空心、上部两端有翼的一种类似箱子的构造特点而得名。由于其由一根两端分别支撑在一个活动支座和一个铰支座上的梁作为主要承重结构的梁桥，属于静定结构。箱型梁应用十分广泛，建筑材料从一开始的混凝土逐渐到钢材，如现在流行的钢箱梁。预应力钢筋混凝土箱梁根据浇筑过程，可分为预制箱梁与现浇箱梁。预制箱梁是在施工现场以外的独立地方浇筑，使用架桥机等架桥设备将预制好的箱梁架到桥墩上，节省了浇筑梁的养护时间、工期。现浇箱梁应用于大型的大跨径的梁桥，一般是由简支到连续梁的过渡。

箱梁采用钢筋混凝土结构的已较少，跨径在20～50 m的范围内，大部分采用预制拼装后张法预应力混凝土箱形梁。其预应力体系所采用的是钢绞线群锚，梁采用预制箱梁，再用架桥机进行架设。混凝土标号一般在40～60号范围内；其内部形状有梯形与八边形，本设计中所采用的是单箱单室内梯形简支梁，梁长30 m，宽3.7 m。

2.1 箱型梁桥的设计与受力特点

预应力简支箱型梁桥的结构特点是两端分别支撑在一个活动支座和一个铰支座上，在竖向荷载作用下，梁体承受弯矩，不产生水平力。桥面简支是在简支结构的基础上，在墩顶处简单铺设，相比连续桥伸缩缝的数量较少，其架设方便性与施工便利性相比连续桥更高。预应力简支箱梁桥设计时的步骤一般为：根据以往资料，查阅相关资料文献，熟悉桥梁设计资料；根据设计图纸，利用MIDAS建立箱梁的有限元模型，按刚接板法考虑横向分布，分析结构的受力特点，通过结构验算，校核结构强度，确定试验控制截面；计算结构的设计控制内力，选择合适的荷载试验加载方案；计算试验荷载作用下控制测点的应力、挠度值；合理选择试验设备，确定控制测点的应力、挠度的测试方法。

对桥梁结构进行固有频率分析，制定桥梁的动力试验方案；再进行强度、刚度、稳定性验算。若验算不能满足要求，应通过改变加载方法等重新设计、验算，直到各项验算均通过为止。预应力简支梁桥属于单孔静定结构，由于其受力明确、构造简单，施工方便且应用颇广。作用在箱梁上的荷载主要有恒载和活载，恒载是对称的，活载两者均可，但更多情况下是有偏心作用的。在偏心荷载的作用下，箱梁将有可能产生扭转、总向弯曲、畸变和横向挠曲4种变形。实体梁桥三维模型如图1所示，实体梁桥横断面图如图2所示。

图1 实体梁桥三维模型

图2 实体梁桥横断面图

3 静载试验的试验方案

3.1 试验荷载工况的确定

在进行试验荷载工况的确定时，结构不复杂的桥梁结构如简支箱梁、简支T梁等可以自行选取1个或2个工况进行荷载试验；但对于复杂的桥梁结构，应根据具体情况进行确定，一般情况下可以取2个或3个工况。

3.2 试验荷载等级的确定

在确定试验荷载的等级与所加荷载的位置时，一般用静力荷载试验效率ηq控制，其计算公式如下：

式中：Ss——试验荷载作用下控制截面内力值；S′——设计荷载作用下控制截面内力值；μ——冲击系数；ηq——静力试验荷载效率。

为了保证试验结果的准确性，应该按照规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）的规定宜介于0.95～1.05之间进行判定。

4 动载试验的试验方案

4.1 动载试验的目的

测试时车辆运行所引起的桥梁结构的振动周期与频率可能会与桥梁自身的振动频率与周期同步，会引起共振，破坏桥梁内部构造，甚至会引起桥梁的大范围性破损。

动载试验的目的：（1）通过桥梁的动载试验，对桥梁的运行能力与承载能力进行评判；（2）通过桥梁的动载试验，为桥梁将来发生旧损进行维护而提供资料。

4.2 动载试验的方法

（1）自振法（瞬态激振法）：①突然加载法（冲击法）；②突然卸载法（位移激振法）。（2）共振法（强迫振谐法）。（3）脉动法。

4.3 动载试验与结果评判

桥跨结构的动载试验完成后，一般需要通过以下几个点来对其动力特性进行评价。（1）把实际所测值与理论计算值进行对比，如果是测值比较大，说明桥梁刚度足够，不易发生开裂等毁坏现象。（2）通过实测所测出的冲击系数对桥跨结构的行车性能进行评判，如冲击系数较小，则桥梁的行车性能不好，反之则较好。（3）通过实测所测的活载加速度，评判桥跨结构的行车舒适性，根据研究资料可知，如果实测加速度小于重力加速度g，则乘客会感到舒适，反之则不适。（4）通过实测所测的桥跨结构阻尼比可以反映桥梁在受到外界影响时，其所耗散的能力，一般情况下桥跨结构的阻尼比在0.01～0.08之间，如果阻尼比越大，则说明其耗散能力越强；反之，越弱。

5 荷载试验数据分析

5.1 静载试验效率的确定

静载加载效率η按下式确定：

式中：Ss——试验荷载作用下控制截面内力值；S——设计荷载作用下控制截面内力值；μ——冲击系数（平板挂车、履带车、重型车辆的μ=0）。

经过试验数据分析，静载加载效率η满足规范规定的范围（0.95～1.05之间），说明试验车辆加载符合要求。

5.2 静载试验分析挠度理论值

使用过程中，预应力混凝土在自身的荷载作用下与其他荷载一起作用将会产生变形，如果其弯曲变形过大，影响混凝土的正常使用，桥梁应该具有一定的刚度，确保桥梁的正常使用。根据《公路桥梁和涵洞规定》中所规定，钢筋混凝土受弯构件长期挠度值，消除了其由于自身重量引起的长期挠度不超过以下规定限制值：梁式桥主梁的最大挠度处为L/600，梁式桥主梁悬臂端处为L/300。

5.3 静载试验应力、应变理论值分析

根据材料力学公式：

式中：M——横截面上的弯矩值；y——所求应力点相对于中性轴纵坐标；IZ——横截面对中性轴z的惯性矩。

通常情况下，桥梁检测中采用微应变，应变计算：

式中：E——材料弹性模量。

根据公式σ=可得每个测点的应力值，根据公式ε=，可知所有测点的应变值。

根据规范规定，预应力混凝土桥的应变校验系数范围应该在0.60～0.90，根据实测应变值和理论计算值的比较，测点的应变校验系数符合规范要求，说明所测混凝土简支箱桥梁的结构满足使用的要求。

5.4 动载理论试验结果

桥梁动载试验可以通过通车、刹车、跳车、脉动测试等试验方法，得到桥梁结构的动力特性指标。模型一阶振型图如图3所示，模型三阶振型图如图4所示。

图3 模型一阶振型图

图4 模型三阶振型图

通过试验可以发现，所试验的桥梁结构的阻尼系数等力学特性与桥梁结构本身的结构形式、刚度、所用材料有关，与其他外在条件如荷载等无关。动载试验中，可利用麦达斯软件获取大量所测桥梁结构振动系统的各种振动量，如应变、应力、加速度等的时间曲线。由于桥梁结构的实际振动复杂，一般是随机的，根据信号或数据直接分析判断结构振动的性质和规律较为困难，一般情况下需对实测振动波形进行处理与分析，方便对结构的动态性能做进一步分析。常用的分析处理方法有时域和频域分析两种方法。根据模型可以测试出理论频率与现场实测频率，二者对比，则可以得出该简支箱型梁桥的动刚度大小，以评定简支箱梁动力特性的优劣。

反应和动力特性可以成为该预应力简支箱梁桥的静、动力特性的评判依据，所以桥梁的动载试验和静载试验可以全面有效对桥梁是否能够正常运行进行检验。

6 结语

（1）简支箱型桥梁结构的静载试验，在桥梁结构确定的位置上施加静止的荷载，得出桥梁的内力、应变、挠度等数据，对测试的桥梁结构的通行能力与承载能力做出评判。（2）简支箱型桥梁结构的动载试验是根据实际车辆通过时而用仪器测试的相关参数、数据分析桥梁自身的承载能力与施工质量，同时也可以对桥梁的自身结构特性如振动特性等进行研究。（3）通过建立简支箱梁型梁桥的有限元模型，对所建立的有限元模型进行进一步分析与总结，得出所测试的桥梁结构的静力反应和动力特性，可以成为该预应力简支箱梁桥的静、动力特性的评判依据，所以桥梁的动载试验和静载试验可以对桥梁是否能够正常运行进行检验。